21、利用深度学习进行氧气浓度检测的研究项目

利用深度学习进行氧气浓度检测的研究项目

1. 项目背景与目标

在深度学习领域，人们通常会联想到图像识别、语音识别和图像检测等应用。然而，深度神经网络的应用潜力是无限的。本项目旨在展示如何将深度神经网络成功应用于一个不太常见的问题——传感应用中的参数提取，具体来说，是确定介质（如气体）中的氧气浓度。

2. 问题描述

许多传感器设备的工作原理基于对一个易于测量的物理量（如电压、体积或光强度）的测量。这个物理量必须与另一个需要确定但通常难以直接测量的物理量（如温度或本项目中的气体浓度）密切相关。如果我们知道这两个物理量之间的关联（通常通过数学模型），就可以从第一个物理量推导出第二个物理量。

本项目采用“发光猝灭”原理来测量氧气浓度。一种染料物质与待测量氧气含量的气体接触，用激发光（通常是光谱中的蓝光）照射染料，染料吸收部分光后，会在光谱的不同部分（通常是红光）重新发射光。发射光的强度和持续时间与接触染料的气体中的氧气浓度密切相关。如果气体中含有氧气，染料发射的部分光会被抑制，即“猝灭”，气体中氧气含量越高，这种效应越明显。

项目的目标是开发新的算法，根据测量到的激发光和发射光之间的相移（输出）来确定氧气浓度（输入）。在实际情况中，光相移不仅取决于调制频率ω和气体中的氧气浓度O₂，还非线性地取决于染料分子周围的温度和化学成分。此外，光强度的衰减很少能用一个衰减时间来描述，通常至少需要两个衰减时间，这进一步增加了描述系统所需的参数数量。

3. 数学模型

一个简单的描述相移θ与氧气浓度O₂之间关系的数学模型如下：
[
\tan(\theta(\omega, T, O_2)) = \fr